Lasere i plastisk kirurgi

Tidlig i forrige århundre forklarte Einstein teoretisk prosessene som må oppstå når en laser sender ut energi i en artikkel med tittelen «Kvanteteorien om stråling». Maiman bygde den første laseren i 1960. Siden den gang har laserteknologien utviklet seg raskt, og produsert en rekke lasere som spenner over hele det elektromagnetiske spekteret. De har siden blitt kombinert med andre teknologier, inkludert bildebehandlingssystemer, robotikk og datamaskiner, for å forbedre presisjonen til laserlevering. Gjennom samarbeid innen fysikk og bioingeniørfag har medisinske lasere blitt en viktig del av kirurgers terapeutiske verktøy. I starten var de store og ble bare brukt av kirurger som var spesialutdannet i laserfysikk. I løpet av de siste 15 årene har medisinsk laserdesign blitt avansert for å gjøre dem enklere å bruke, og mange kirurger har lært det grunnleggende om laserfysikk som en del av sin videreutdanning.

Denne artikkelen drøfter: biofysikk av lasere; interaksjon mellom vev og laserstråling; enheter som brukes i plastisk og rekonstruktiv kirurgi; generelle sikkerhetskrav ved arbeid med lasere; problemstillinger knyttet til videre bruk av lasere i hudintervensjoner.

Biofysikk av lasere

Lasere sender ut lysenergi som beveger seg i bølger som ligner på vanlig lys. Bølgelengden er avstanden mellom to tilstøtende bølgetopper. Amplituden er størrelsen på toppen, som bestemmer lysets intensitet. Frekvensen, eller perioden, til en lysbølge er tiden det tar for bølgen å fullføre en syklus. For å forstå hvordan en laser fungerer, er det viktig å forstå kvantemekanikken. Begrepet LASER er et akronym for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Når et foton, en enhet for lysenergi, treffer et atom, får det et av atomets elektroner til å hoppe til et høyere energinivå. Atomet blir ustabilt i denne eksiterte tilstanden og frigjør et foton når elektronet faller tilbake til sitt opprinnelige, lavere energinivå. Denne prosessen er kjent som spontan emisjon. Hvis et atom er i en høyenergitilstand og kolliderer med et annet foton, vil det frigjøre to fotoner som har identisk bølgelengde, retning og fase når det går tilbake til en lavenergitilstand. Denne prosessen, kalt stimulert emisjon av stråling, er grunnleggende for å forstå laserfysikk.

Uansett type har alle lasere fire grunnleggende komponenter: en eksitasjonsmekanisme eller energikilde, et lasermedium, et optisk hulrom eller resonator, og et utstøtingssystem. De fleste medisinske lasere som brukes i ansiktsplastikkirurgi har en elektrisk eksitasjonsmekanisme. Noen lasere (som en blitzlampe-eksitert fargelaser) bruker lys som eksitasjonsmekanisme. Andre kan bruke høyenergiske radiofrekvensbølger eller kjemiske reaksjoner for å gi eksitasjonsenergi. Eksitasjonsmekanismen pumper energi inn i et resonanskammer som inneholder lasermediet, som kan være et fast, flytende, gassformet eller halvledermateriale. Energien som dumpes inn i resonatorhulrommet hever elektronene til atomene i lasermediet til et høyere energinivå. Når halvparten av atomene i resonatoren er svært eksiterte, oppstår en populasjonsinversjon. Spontan emisjon begynner når fotoner sendes ut i alle retninger, og noen kolliderer med allerede eksiterte atomer, noe som resulterer i stimulert emisjon av parede fotoner. Stimulert emisjon forsterkes når fotoner som beveger seg langs aksen mellom speilene reflekteres fortrinnsvis frem og tilbake. Dette resulterer i sekvensiell stimulering når disse fotonene kolliderer med andre eksiterte atomer. Det ene speilet er 100 % reflekterende, mens det andre speilet delvis overfører den utsendte energien fra resonatorkammeret. Denne energien overføres til det biologiske vevet via et utkastningssystem. For de fleste lasere er dette fiberoptisk. Et bemerkelsesverdig unntak er CO2-laseren, som har et system av speil på en hengslet arm. Optiske fibre er tilgjengelige for CO2-laseren, men de begrenser punktstørrelsen og utgangsenergien.

Laserlys er mer organisert og kvalitativt intenst enn vanlig lys. Siden lasermediet er homogent, har fotonene som sendes ut av stimulert emisjon en enkelt bølgelengde, noe som skaper monokromatisitet. Normalt er lys sterkt spredt når det beveger seg bort fra kilden. Laserlys er kollimert: det er lite spredt, noe som gir en konstant energiintensitet over en stor avstand. Ikke bare beveger fotonene i laserlys seg i samme retning, de har også samme tidsmessige og romlige fase. Dette kalles koherens. Egenskapene monokromatisitet, kollimering og koherens skiller laserlys fra den uordnede energien i vanlig lys.

Laser-vevsinteraksjon

Spekteret av lasereffekter på biologisk vev strekker seg fra modulering av biologiske funksjoner til fordampning. De fleste klinisk brukte laser-vevs-interaksjonene gjelder termiske evner til å koagulere eller fordampe. I fremtiden kan lasere bli brukt ikke som varmekilder, men som sonder for å kontrollere cellulære funksjoner uten cytotoksiske bivirkninger.

Effekten av en konvensjonell laser på vev avhenger av tre faktorer: vevsabsorpsjon, laserbølgelengde og laserenergitetthet. Når en laserstråle treffer vev, kan energien absorberes, reflekteres, transmitteres eller spres. Alle fire prosessene forekommer i varierende grad i enhver vev-laser-interaksjon, hvorav absorpsjon er den viktigste. Graden av absorpsjon avhenger av kromoforinnholdet i vevet. Kromoforer er stoffer som effektivt absorberer bølger av en viss lengde. For eksempel absorberes CO2-laserenergi av kroppens bløtvev. Dette er fordi bølgelengden som tilsvarer CO2 absorberes godt av vannmolekyler, som utgjør opptil 80 % av bløtvev. I motsetning til dette er CO2-laserabsorpsjon minimal i beinvev på grunn av det lave vanninnholdet i beinvev. Når vevet absorberer laserenergi, begynner molekylene å vibrere. Absorpsjonen av ytterligere energi forårsaker denaturering, koagulasjon og til slutt fordampning av proteinet (fordampning).

Når laserenergi reflekteres av vev, blir ikke sistnevnte skadet, siden retningen på strålingen på overflaten endres. Hvis laserenergien passerer gjennom det overfladiske vevet og inn i det dype laget, påvirkes heller ikke det mellomliggende vevet. Hvis laserstrålen spres i vevet, absorberes ikke energien på overflaten, men fordeles tilfeldig i de dype lagene.

Den tredje faktoren som angår samspillet mellom vev og laser er energitettheten. I samspillet mellom laser og vev, når alle andre faktorer er konstante, kan endring av punktstørrelse eller eksponeringstid påvirke vevets tilstand. Hvis punktstørrelsen på laserstrålen reduseres, øker effekten som virker på et visst volum av vev. Omvendt, hvis punktstørrelsen øker, reduseres energitettheten til laserstrålen. For å endre punktstørrelsen kan utkastningssystemet på vevet fokuseres, forhåndsfokuseres eller defokuseres. I forhåndsfokuserte og defokuserte stråler er punktstørrelsen større enn den fokuserte strålen, noe som resulterer i en lavere effekttetthet.

En annen måte å variere vevseffekter på er å pulsere laserenergien. Alle pulsmoduser veksler mellom på- og av-perioder. Siden energien ikke når vevet i av-periodene, er det en sjanse for at varmen forsvinner. Hvis av-periodene er lengre enn den termiske relaksasjonstiden til målvevet, reduseres sannsynligheten for skade på det omkringliggende vevet ved konduksjon. Den termiske relaksasjonstiden er den tiden som kreves for at halvparten av varmen i målet skal forsvinne. Forholdet mellom det aktive intervallet og summen av de aktive og passive pulsasjonsintervallene kalles arbeidssyklusen.

Driftssyklus = på/på + av

Det finnes ulike pulsmoduser. Energien kan frigjøres i utbrudd ved å stille inn perioden laseren sender ut (f.eks. 10 sekunder). Energien kan blokkeres, der den konstante bølgen blokkeres med bestemte intervaller av en mekanisk lukker. I superpulsmodus blokkeres ikke energien bare, men lagres i laserenergikilden i av-perioden og frigjøres deretter i på-perioden. Det vil si at toppenergien i superpulsmodus er betydelig høyere enn i konstant eller blokkerende modus.

I en gigantisk pulslaser lagres energi også i av-perioden, men i lasermediet. Dette oppnås av en lukkermekanisme i hulromskammeret mellom de to speilene. Når lukkeren er lukket, sender ikke laseren en laserstråle, men energi lagres på hver side av lukkeren. Når lukkeren er åpen, samhandler speilene for å produsere en høyenergilaserstråle. Toppenergien til en gigantisk pulslaser er svært høy med en kort driftssyklus. En moduslåst laser ligner på en gigantisk pulslaser ved at det er en lukker mellom de to speilene i hulromskammeret. Den moduslåste laseren åpner og lukker lukkeren synkronisert med tiden det tar for lyset å reflektere mellom de to speilene.

Kjennetegn ved lasere

• Karbondioksidlaser

Karbondioksidlaseren brukes oftest i øre-nese-hals-kirurgi/hode- og nakkekirurgi. Bølgelengden er 10,6 nm, en usynlig bølge i det fjerne infrarøde området av det elektromagnetiske spekteret. Veiledning langs helium-neon-laserstrålen er nødvendig slik at kirurgen kan se virkningsområdet. Lasermediet er CO2. Bølgelengden absorberes godt av vannmolekyler i vevet. Effektene er overfladiske på grunn av høy absorpsjon og minimal spredning. Strålingen kan bare overføres gjennom speil og spesielle linser plassert på en leddstang. Veivarmen kan festes til et mikroskop for presisjonsarbeid under forstørrelse. Energi kan også kastes ut gjennom et fokuseringshåndtak festet til den leddstangen.

• Nd:YAG-laser

Bølgelengden til Nd:YAG-laseren (yttrium-aluminium-granat med neodym) er 1064 nm, dvs. den er i det nær-infrarøde området. Den er usynlig for det menneskelige øyet og krever en styrende helium-neon-laserstråle. Lasermediet er yttrium-aluminium-granat med neodym. De fleste vev i kroppen absorberer denne bølgelengden dårlig. Pigmentert vev absorberer den imidlertid bedre enn ikke-pigmentert vev. Energien overføres gjennom de overfladiske lagene i de fleste vev og forsvinner i de dypere lagene.

Sammenlignet med karbondioksidlaseren er spredningen av Nd:YAG betydelig større. Derfor er penetrasjonsdybden større, og Nd:YAG er godt egnet for koagulering av dype kar. I eksperimentet er den maksimale koagulasjonsdybden omtrent 3 mm (koagulasjonstemperatur +60 °C). Gode resultater i behandlingen av dype periorale kapillære og kavernøse formasjoner ved bruk av Nd:YAG-laseren er rapportert. Det finnes også en rapport om vellykket laserfotokoagulasjon av hemangiomer, lymfangiomer og arteriovenøse medfødte formasjoner. Imidlertid predisponerer den større penetrasjonsdybden og den ikke-selektive ødeleggelsen for økt postoperativ arrdannelse. Klinisk minimeres dette ved sikre effektinnstillinger, en punkttilnærming til lesjonen og unngåelse av behandling av hudområder. I praksis har bruken av den mørkerøde Nd:YAG-laseren praktisk talt blitt erstattet av lasere med en bølgelengde som ligger i den gule delen av spekteret. Den brukes imidlertid som en adjuvant laser for mørkerøde (portvin) fargede nodulære lesjoner.

Nd:YAG-laseren har vist seg å hemme kollagenproduksjonen i både fibroblastkultur og normal hud in vivo. Dette tyder på suksess i behandling av hypertrofiske arr og keloider. Klinisk sett er imidlertid tilbakefallsratene etter keloideksisjon høye, til tross for potent tilleggsbehandling med topisk steroidbehandling.

• Kontakt Nd:YAG-laser

Bruken av Nd:YAG-laseren i kontaktmodus endrer de fysiske egenskapene og absorpsjonen av strålingen betydelig. Kontaktspissen består av en safir- eller kvartskrystall som er direkte festet til enden av laserfiberen. Kontaktspissen samhandler direkte med huden og fungerer som en termisk skalpell, som skjærer og koagulerer samtidig. Det finnes rapporter om bruk av kontaktspissen i et bredt spekter av bløtvevsintervensjoner. Disse bruksområdene er nærmere de for elektrokoagulasjon enn den ikke-kontakt Nd:YAG-modusen. Generelt bruker kirurger nå laserens iboende bølgelengder ikke for å skjære i vev, men for å varme opp spissen. Derfor er ikke prinsippene for laser-vevsinteraksjon anvendelige her. Responstiden på kontaktlaseren er ikke så direkte relatert som med fri fiber, og derfor er det en forsinkelsesperiode for oppvarming og avkjøling. Med erfaring blir imidlertid denne laseren praktisk for å isolere hud- og muskelflapper.

• Argonlaser

Argonlaseren sender ut synlige bølger med en lengde på 488–514 nm. På grunn av utformingen av resonatorkammeret og den molekylære strukturen til lasermediet, produserer denne typen laser et langbølget område. Noen modeller kan ha et filter som begrenser strålingen til en enkelt bølgelengde. Energien til argonlaseren absorberes godt av hemoglobin, og spredningen er mellom karbondioksid- og Nd:YAG-laseren. Strålingssystemet for argonlaseren er en fiberoptisk bærer. På grunn av den høye absorpsjonen av hemoglobin, absorberer vaskulære neoplasmer i huden også laserenergi.

• KTF-laser

KTP-laseren (kaliumtitanylfosfat) er en Nd:YAG-laser der frekvensen dobles (bølgelengden halveres) ved å føre laserenergien gjennom en KTP-krystall. Dette produserer grønt lys (bølgelengde 532 nm), som tilsvarer absorpsjonstoppen til hemoglobin. Vevspenetrasjonen og -spredningen ligner på en argonlaser. Laserenergien overføres av en fiber. I ikke-kontaktmodus fordamper og koagulerer laseren. I semikontaktmodus berører spissen av fiberen knapt vevet og blir et skjæreinstrument. Jo høyere energi som brukes, desto mer fungerer laseren som en termisk kniv, lik en karbondioksidlaser. Enheter med lavere energi brukes primært til koagulasjon.

• Blitslampe eksitert fargelaser

Den blitslampeeksiterte fargelaseren var den første medisinske laseren som var spesielt utviklet for behandling av godartede vaskulære lesjoner i huden. Det er en synlig lyslaser med en bølgelengde på 585 nm. Denne bølgelengden sammenfaller med den tredje absorpsjonstoppen til oksyhemoglobin, og derfor absorberes energien til denne laseren hovedsakelig av hemoglobin. I området 577–585 nm er det også mindre absorpsjon av konkurrerende kromoforer som melanin og mindre spredning av laserenergien i dermis og epidermis. Lasermediet er rhodaminfargestoff, som eksiteres optisk av en blitslampe, og emisjonssystemet er en fiberoptisk bærer. Fargelaserspissen har et utskiftbart linsesystem som tillater opprettelse av en punktstørrelse på 3, 5, 7 eller 10 mm. Laseren pulserer med en periode på 450 ms. Denne pulsatilitetsindeksen ble valgt basert på den termiske relaksasjonstiden til ektatiske kar funnet i godartede vaskulære lesjoner i huden.

• Kobberdamplaser

Kobberdamplaseren produserer synlig lys med to separate bølgelengder: en pulserende grønn bølge på 512 nm og en pulserende gul bølge på 578 nm. Lasermediet er kobber, som eksiteres (fordampes) elektrisk. Et fibersystem overfører energi til spissen, som har en variabel punktstørrelse på 150–1000 µm. Eksponeringstiden varierer fra 0,075 s til konstant. Tiden mellom pulsene varierer også fra 0,1 s til 0,8 s. Det gule lyset fra kobberdamplaseren brukes til å behandle godartede vaskulære lesjoner i ansiktet. Den grønne bølgen kan brukes til å behandle pigmenterte lesjoner som fregner, lentiginer, nevi og keratose.

• Ikke-falmende gul fargelaser

Den gule CW-fargelaseren er en synlig lyslaser som produserer gult lys med en bølgelengde på 577 nm. I likhet med den blitzlampe-eksiterte fargelaseren justeres den ved å endre fargestoffet i laseraktiveringskammeret. Fargestoffet eksiteres av en argonlaser. Utkastningssystemet for denne laseren er også en fiberoptisk kabel som kan fokuseres til forskjellige punktstørrelser. Laserlyset kan pulseres ved hjelp av en mekanisk lukker eller en Hexascanner-spiss som festes til enden av det fiberoptiske systemet. Hexascanneren dirigerer tilfeldig pulser av laserenergi innenfor et sekskantet mønster. I likhet med den blitzlampe-eksiterte fargelaseren og kobberdamplaseren er den gule CW-fargelaseren ideell for behandling av godartede vaskulære lesjoner i ansiktet.

• Erbiumlaser

Erbium:UAS-laseren bruker absorpsjonsbåndet for vann på 3000 nm. Bølgelengden på 2940 nm tilsvarer denne toppen og absorberes sterkt av vevsvann (omtrent 12 ganger mer enn CO2-laseren). Denne nær-infrarøde laseren er usynlig for øyet og må brukes med en synlig siktestråle. Laseren pumpes av en blitzlampe og sender ut makropulser med en varighet på 200–300 μs, som består av en serie mikropulser. Disse laserne brukes med et håndstykke festet til en leddarm. En skanneenhet kan også integreres i systemet for raskere og mer jevn vevsfjerning.

• Rubinlaser

Rubinlaseren er en blitzlampepumpet laser som sender ut lys med en bølgelengde på 694 nm. Denne laseren, som befinner seg i det røde området av spekteret, er synlig for øyet. Den kan ha en laserlukker for å produsere korte pulser og oppnå dypere vevspenetrasjon (dypere enn 1 mm). Rubinlaseren med lang puls brukes til å fortrinnsvis varme opp hårsekkene ved laserhårfjerning. Dette laserlyset overføres ved hjelp av speil og et leddarmsystem. Det absorberes dårlig av vann, men absorberes sterkt av melanin. Ulike pigmenter som brukes til tatoveringer absorberer også 694 nm-stråler.

• Alexandrittlaser

Alexandrittlaseren, en faststofflaser som kan pumpes av en blitzlampe, har en bølgelengde på 755 nm. Denne bølgelengden, i den røde delen av spekteret, er ikke synlig for øyet og krever derfor en ledestråle. Den absorberes av blå og svarte tatoveringspigmenter, samt melanin, men ikke hemoglobin. Det er en relativt kompakt laser som kan overføre stråling gjennom en fleksibel lysleder. Laseren trenger relativt dypt inn, noe som gjør den egnet for fjerning av hår og tatoveringer. Punktstørrelsene er 7 og 12 mm.

• Diodelaser

Nylig har dioder på superledende materialer blitt direkte koblet til fiberoptiske enheter, noe som resulterer i utsendelse av laserlys ved forskjellige bølgelengder (avhengig av egenskapene til materialene som brukes). Diodelasere kjennetegnes av sin effektivitet. De kan konvertere innkommende elektrisk energi til lys med en effektivitet på 50 %. Denne effektiviteten, assosiert med lavere varmeutvikling og inngangseffekt, gjør det mulig å designe kompakte diodelasere uten store kjølesystemer. Lyset overføres via fiberoptikk.

• Filtrert blitslampe

Den filtrerte pulslampen som brukes til hårfjerning er ikke en laser. I stedet er det et intenst, ikke-koherent, pulserende spektrum. Systemet bruker krystallfiltre til å sende ut lys med en bølgelengde på 590–1200 nm. Bredden og integraltettheten til pulsen, som også er variabel, oppfyller kriteriene for selektiv fototermolyse, noe som setter denne enheten på nivå med lasere for hårfjerning.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ]